混凝土結(jié)構(gòu)形成與基本性能

1、3 混凝土結(jié)構(gòu)(jigu)形成與基本性能 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成原理 混凝土的基本(jbn)性能共六十四頁(yè)要求掌握：1.硅酸鹽水泥礦物的水化過(guò)程；2.水泥石的相組成(z chn)和物理結(jié)構(gòu)；3.界面過(guò)渡區(qū)及其對(duì)混凝土性能的影響；4.混凝土拌合物性能、表征方法及其影響因素；5.硬化混凝土性能、表征方法及其影響因素。共六十四頁(yè) 通過(guò)學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)到材料的宏觀性能和工程行為是由材料內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)所決定的，而混凝土的組成和結(jié)構(gòu)將隨時(shí)間和外部環(huán)境條件下的變化而發(fā)生改變。 本章是聯(lián)系原材料、配合(pih)比設(shè)計(jì)、混凝土成型與養(yǎng)護(hù)工藝等相關(guān)環(huán)節(jié)的紐帶。 混凝土原材料的性能和配合比設(shè)計(jì)是決定混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)性

2、能形成與發(fā)展的內(nèi)在因素。成型和養(yǎng)護(hù)工藝是決定混凝土結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展的外在因素。共六十四頁(yè)一、混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成(xngchng)原理 混凝土是將膠凝材料、水、粗細(xì)集料及各類化學(xué)外加劑按一定比例，經(jīng)均勻拌和、密實(shí)成型及養(yǎng)護(hù)硬化后制成的的一種(y zhn)人造石材。 因此，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的含義不僅包括水泥石的結(jié)構(gòu)、即水化產(chǎn)物的類型、結(jié)晶狀態(tài)、大小及聚集形式等，還包括固相組分的堆積狀態(tài)、孔結(jié)構(gòu)及水泥石-集料的界面等。 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、狀態(tài)直接影響到混凝土材料的性能，同時(shí)它又受原材料及加工工藝過(guò)程的影響。 因此研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成原理及特征對(duì)于我們改善混凝土性能、完善和改進(jìn)工藝具有十分重要的意義。

3、共六十四頁(yè)1、混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述(i sh)（1）混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理(yunl) 如前所述，混凝土是一種多相體系，內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程也非常復(fù)雜，對(duì)這一體系的研究也是十分困難的。至今為止，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)形成的原理，理論上也不十分成熟，目前較為認(rèn)可的有兩種說(shuō)法：表面膠結(jié)原理多級(jí)分散原理共六十四頁(yè)（1）混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理(yunl)1）表面(biomin)膠結(jié)原理可以從兩種方式理解混凝土物理結(jié)構(gòu)原理混凝土是由粗集料、細(xì)集料和水泥石組成的密實(shí)的體系，粗、細(xì)集料構(gòu)成骨架，水泥石分布在集料顆粒表面，將它們膠結(jié)為一個(gè)具有強(qiáng)度的整體。 混凝土集料骨架粗集料細(xì)集料膠結(jié)料水泥石共六十四頁(yè)2）多級(jí)分散

4、(fnsn)原理 混凝土的物理結(jié)構(gòu)也可以理解(lji)為，粗集料為分散相分散在砂漿中而形成的一種粗分散系，同樣砂漿是以細(xì)集料為分散相而分散在水泥石中的一種細(xì)分散系，水泥石是以水化硅酸鈣為連續(xù)相，其他水化產(chǎn)物晶體、未水化水泥顆粒、水泥中的惰性組分為分散相而形成的微分散系?；炷练稚⑾啵捍旨线B續(xù)相：砂漿（細(xì)分散系）連續(xù)相：水泥石（微分散系）分散相：細(xì)集料分散相：晶體、顆粒等連續(xù)相：CSH凝膠共六十四頁(yè)（2）混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)類型(lixng)按照表面膠結(jié)原理，可以(ky)將混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三類： 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu) 按粒子干涉理論，為避免次級(jí)顆粒對(duì)前級(jí)顆粒密排的干涉，前級(jí)顆粒之間必須流出比次級(jí)顆粒粒徑稍

5、大的空隙供次級(jí)顆粒排布。按此組合的混凝土，經(jīng)過(guò)多級(jí)密垛雖然可以獲得很大的密實(shí)度，但是各級(jí)集料均被次級(jí)集料所隔開(kāi)，不能直接靠擾而形成骨架。共六十四頁(yè)A、優(yōu)點(diǎn)：新拌混凝土具有(jyu)較小的內(nèi)摩擦力，易于泵送。B、缺點(diǎn)：彈性模量、抗折強(qiáng)度、收縮、徐變等性能不佳。共六十四頁(yè) 骨架(gji)空隙結(jié)構(gòu) 當(dāng)混凝土中粗集料所占的比例較高，細(xì)集料很少時(shí)，粗集料可以相互靠攏形成(xngchng)骨架；但由于細(xì)顆粒數(shù)量較少，不足以填滿粗集料之間的空隙，因此形成(xngchng)骨架空隙結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)適宜于制作透水混凝土。其他混凝土應(yīng)避免這種結(jié)構(gòu)，因其抗水、抗?jié)B透能力差。共六十四頁(yè) 密實(shí)(m shi)骨架結(jié)構(gòu) 當(dāng)

6、集料中斷去中間尺寸的顆粒，既有較多數(shù)量粗集料可形成空間(kngjin)骨架，同時(shí)又有相當(dāng)數(shù)量細(xì)集料可填實(shí)骨架的空隙時(shí)，形成密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)的新拌混凝土有較高的內(nèi)摩擦阻力，不易泵送；但彈性模量與抗折強(qiáng)度高，收縮、徐變小。共六十四頁(yè)結(jié)論： 以上分析表明：粗集料的級(jí)配和堆積狀態(tài)對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)和性能影響很大，而水泥石是將粗細(xì)(cx)集料膠結(jié)成整體的關(guān)鍵。因此水泥水化形成水泥石的過(guò)程、水泥石的結(jié)構(gòu)及集料與水泥石的界面是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的決定因素。共六十四頁(yè)（1）硅酸三鈣 C3S的水化反應(yīng)3CaOSiO2+nH2O =x CaOSiO2yH2O+（3-x）Ca(OH)2即: C3S+nH = C-S

7、-H +（3-x)CH式中 x表示鈣硅比（C/S） n表示結(jié)合(jih)水量 2. 硅酸鹽水泥(shun)的水化共六十四頁(yè)A. C-S-H（水化硅酸鈣）特點(diǎn)：凝膠（非晶體），水泥石強(qiáng)度主要提供物質(zhì)組成(z chn)不固定：CaO：0.1121.12g/l時(shí)，C-S-H（） (0.81.5)CaOSiO2(0.52.5)H2OCaO1.12g/l時(shí)，C-S-H（） (1.52.0)CaOSiO2(14)H2O共六十四頁(yè)B. CH （氫氧化鈣）特點(diǎn)： 較粗大晶體，造成(zo chn)水泥石強(qiáng)度下降； 維持水泥石體系較高堿度，穩(wěn)定C-S-H； 可作為火山灰質(zhì)等混合材的堿性激發(fā)劑。共六十四頁(yè) 水化過(guò)程

8、 A.誘導(dǎo)前期急劇反應(yīng)(fnyng)，出現(xiàn)第一個(gè)放熱峰，時(shí)間很短，在15min以內(nèi)結(jié)束。共六十四頁(yè)B.誘導(dǎo)期反應(yīng)極其緩慢，又稱靜止期。一般持續(xù) 14，是硅酸鹽水泥漿體能在幾小時(shí)內(nèi)保持塑性(sxng)的原因。初凝時(shí)間基本上相當(dāng)于誘導(dǎo)期的結(jié)束。 共六十四頁(yè) C.加速期 反應(yīng)重新加快，出現(xiàn)第二個(gè)放熱峰，到達(dá)峰頂(fn dn)時(shí)本階段即告結(jié)束(48h)。 此時(shí)終凝已過(guò)，開(kāi)始硬化。共六十四頁(yè) 減速期： 反應(yīng)速率隨時(shí)間(shjin)下降的階段，約持續(xù)1224h，水化作用逐漸受擴(kuò)散速率的控制。 穩(wěn)定期： 反應(yīng)速率很低、基本穩(wěn)定的階段(jidun)，水化作用完全受擴(kuò)散速率控制。 共六十四頁(yè)(2) 硅酸二鈣型硅

9、酸二鈣的水化過(guò)程和C3S極為相似，-C2S的水化反應(yīng)可采用下式表示(biosh):2CaOSiO2+mH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2即: C2S十mH=C-S-H+(2-x)CH與硅酸三鈣水化相似，區(qū)別在于：1、水化速率為硅酸三鈣的1/20；2、水化形成的Ca(OH)2、C-S-H結(jié)晶困難，單獨(dú)水化速度極慢，但是在硅酸鹽水泥水化時(shí)受到硅酸三鈣影響而水化加快。共六十四頁(yè)(3) 鋁酸三鈣 在常溫下: 2C3A+27H=C4AH19+C2AH8 C4AH19在低于85%的相對(duì)濕度時(shí)，即失去6摩爾(m r)的結(jié)晶水而成為C4AH13。C4AH19、C4AH13和C2AH8均

10、為六方片狀晶體，在常溫下處于介穩(wěn)狀態(tài)，有向C3AH6等軸晶體轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。 共六十四頁(yè) 在液相的氧化鈣濃度達(dá)到飽和時(shí)， C3A + CH +12H = C4AH13 在硅酸鹽水泥漿體的堿性液相中最易發(fā)生； 處于堿性介質(zhì)中的C4AH13在室溫下能夠穩(wěn)定存在，其數(shù)量迅速增多，就足以(zy)阻礙粒子的相對(duì)移動(dòng)，使?jié){體產(chǎn)生瞬時(shí)凝結(jié)。 在水泥粉磨時(shí)通常都摻有石膏進(jìn)行緩凝。 共六十四頁(yè) 在石膏、氧化鈣同時(shí)存在的條件下 ： C4AH13+3C H2+14H= +CH 所形成的三硫型水化硫鋁酸鈣，又稱鈣礬石。由于其中的鋁可被鐵置換(zhhun)而成為含鋁、鐵的三硫酸鹽相，故常以AFt表示。鈣礬石不溶于堿溶液而在

11、C3A表面沉淀形成致密的保護(hù)層，阻礙了水與C3A進(jìn)一步反應(yīng)，因此降低了水化速度，避免了急凝。 共六十四頁(yè) 當(dāng)C3A尚未完全水化而石膏已經(jīng)耗盡時(shí)： C3A水化所成的C4AH13又能與先前(xinqin)形成的鈣礬石依下式反應(yīng)，生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm） + 2C4AH13 =3 +2CH+20H共六十四頁(yè)C3A的水化產(chǎn)物(chnw)CaSO42H2O/C3A（摩爾比）水化產(chǎn)物3.0AFt1.03.0AFt + AFm1.0AFm50nm數(shù)量級(jí)的大孔中的水，可視為自由水。失去自由水不會(huì)造成任何體積改變。 共六十四頁(yè) 混凝土的特性(txng)混凝土從制作到制得成品都要經(jīng)歷拌合物、凝結(jié)硬化及硬化

12、后三個(gè)階段，掌握這三個(gè)階段混凝土的性質(zhì)特征，對(duì)于選擇施工方法，控制(kngzh)質(zhì)量將大有益處。共六十四頁(yè) 二、混凝土的基本(jbn)性能（一）混凝土拌合物性能(xngnng) 混凝土攪拌后尚未凝結(jié)硬化的混合物稱為拌合物，又稱為新拌制的混凝土。 新拌制的混凝土應(yīng)具有定的彈性、塑性和粘性。這些性質(zhì)綜合起來(lái)通常叫做和易性(稠度)。是混凝土拌合物的一種綜合性的技術(shù)性質(zhì)。 共六十四頁(yè) 二、混凝土的基本(jbn)性能（一）混凝土拌合物性能(xngnng)1、工作性（1）新拌混凝土的基本要求1）易于拌和與運(yùn)輸；2）質(zhì)量均一、穩(wěn)定、易于澆注；3）易于振搗與密實(shí)；最好避免振搗、自密實(shí)、低燥音或無(wú)燥；4）澆注、

13、密實(shí)、成型過(guò)程中不產(chǎn)生離析、分層；5）成型后的混凝土表面易于修整。共六十四頁(yè)（2）工作(gngzu)性 工作(gngzu)性也可以定義為：制備充分密實(shí)而不產(chǎn)生分層離析的混凝土所需要的機(jī)械功（或能量）。 共六十四頁(yè)（1）流動(dòng)性 混凝土拌合物在自重(zzhng)或施工機(jī)械振搗的作用下，產(chǎn)生流動(dòng)并均勻密實(shí)地填滿模板各個(gè)角落的能力。流動(dòng)性的大小，反映混凝土拌合物的稀稠程度，又稱之為稠度。它可以影響施工搗實(shí)的難易和灌筑的質(zhì)量。 （2）粘聚性混凝土拌合物所表現(xiàn)的粘聚力。這種粘聚力使混凝土在受作用力后不致出現(xiàn)(chxin)離析現(xiàn)象。 （3）保水性 指混凝土拌合物保持水分不易析出的能力。保持水分的能力一般以稀

14、漿析出的程度來(lái)測(cè)定。 共六十四頁(yè)1）用水量與高效(o xio)減水劑（3）影響工作性的主要(zhyo)因素2）集料配比與集料性質(zhì)3）水泥與摻合料的特性4）環(huán)境溫度5）工作性的經(jīng)時(shí)損失共六十四頁(yè)1）用水量與高效(o xio)減水劑混凝土拌合物的初始狀態(tài)可看作是由膠凝材料、集料等固體顆粒與水組成的一種流體。其中水可以分成三部分：A、吸附在固體顆粒表面(biomin)的吸附水；B、填充在固體顆粒間的填充水；C、多加的附加水（自由水）。共六十四頁(yè)a、附加水對(duì)固體顆粒的流動(dòng)起著分離、潤(rùn)滑的作用；因此水固比越大，拌合物塑性粘度越小，流動(dòng)性越大，易于拌和。但過(guò)多的自由水（附加水）將導(dǎo)致拌合物分層、離析。b、

15、在水固比一定的條件下，固體顆粒堆積孔隙越少，需要的填充(tinchng)水越少，而附加水也就相應(yīng)增多，有利用拌合物的流動(dòng)。c、固體顆粒越細(xì)，表面積越大，需要的吸附水越多，自由水就越少，塑性粘度和屈服應(yīng)力將越大，拌和物流動(dòng)性降低。共六十四頁(yè)d、固體顆粒表面吸附膜的厚度與其物理(wl)、化學(xué)特性及電性能有關(guān)。采用高效減水劑可以改變固體顆粒，特別是膠凝材料顆粒的表面性南，防止顆粒聚集，并減小吸附水膜的厚度，增大拌合物的流動(dòng)性。共六十四頁(yè)2）集料配比(pi b)與集料性質(zhì)主要包含三個(gè)方面：A、集料的總量；B、粗、細(xì)集料的比例；C、集料的性質(zhì)a、水灰比一定的條件下，集灰比增加將降低工作性；b、集料粒徑越

16、小，需要越多的水泥才能保持較好的工作性；c、細(xì)集料偏少將使拌合物粗糙、容易分層，澆注和修飾困難；d、細(xì)集料偏多（砂率偏大），工作性在一定范圍內(nèi)會(huì)變好，但是經(jīng)濟(jì)性較差，混凝土收縮會(huì)增大，硬化混凝土對(duì)水、氣、介質(zhì)(jizh)滲透能力降低；e、集料的幾何特征對(duì)拌合物的工作性影響也較大。共六十四頁(yè) 球形集料有滾珠效應(yīng)，表面吸水少，利于工作性。多棱多角集料機(jī)械(jxi)咬合強(qiáng)，不利于工作性。扁平與長(zhǎng)條狀集料，表面積-體積比高，需要較多的水和水泥，不利于工作性。光滑的比粗糙的更有利于工作性。多孔、吸水率高的將降低工作性。共六十四頁(yè)3）水泥(shun)與摻合料的特性A、水灰比不變時(shí)，增大水泥用量將明顯有利于

17、工作性的提 高，但過(guò)高的水泥用量不僅不經(jīng)濟(jì)，還會(huì)導(dǎo)致混凝土體積穩(wěn)定性變壞；B、膠凝材料越細(xì)，表面積越大，吸附水就越多，水化反應(yīng)消耗水的速度(sd)也越快；不利于工作性。C、水泥中C3A、C3S含量越高，水化反應(yīng)越快，消耗水的速度越快，也會(huì)降低工作性。D、拌合時(shí)水泥溫度越高，越不利于工作性。共六十四頁(yè)4）環(huán)境溫度環(huán)境溫度越高，水向環(huán)境蒸發(fā)速度以及(yj)水泥水化反應(yīng)速度越快，不利于工作性。因此高溫季節(jié)施工時(shí)需多用水，更多應(yīng)采措保水措施。共六十四頁(yè)5）工作(gngzu)性的經(jīng)時(shí)損失 產(chǎn)生經(jīng)時(shí)損失的原因： 拌合后由于水的蒸發(fā)、水被吸收和吸附，以及水泥的水化耗水，再加之新的水化產(chǎn)物的形成改變了顆粒的表

18、面結(jié)構(gòu)，所以混凝土拌合后隨著時(shí)間的推移，其屈服應(yīng)力隨時(shí)間的發(fā)展而增加。其拌合物的工作(gngzu)性會(huì)發(fā)生降低，此降低稱為損失，即經(jīng)時(shí)損失。 減小經(jīng)時(shí)損失的主要方法是摻加外加劑。共六十四頁(yè)主要(zhyo)有6種工作(gngzu)性的測(cè)定方法貫入試驗(yàn)流動(dòng)試驗(yàn)重塑性試驗(yàn)固實(shí)性試驗(yàn)坍落度試驗(yàn)攪拌機(jī)試驗(yàn)共六十四頁(yè)2、離析(lx)與泌水 離析指混凝土拌合物成分相互分離，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象。通常表現(xiàn)為粗集料與砂漿相互分離，例如密度大的顆粒沉積到拌合物的底部，或者粗集料從拌合物整體中分離出來(lái)。 造成離析的原因可能是澆注、振搗方法不適當(dāng)，集料最大粒徑過(guò)大，粗集料比例粗集料比例過(guò)高，膠凝材料和細(xì)

19、集料的含量偏低，與細(xì)集料相比粗集料的密度過(guò)大，或者拌合物過(guò)干或過(guò)濕等。 使用礦物(kungw)摻合料或引氣劑可降低傾向。共六十四頁(yè) 泌水指在拌合物澆注、密實(shí)之后。在凝結(jié)硬化之前，水分從拌合物內(nèi)部遷移到表面的現(xiàn)象，是離析現(xiàn)象的一種特殊形式。 水是拌合物各成分中密度最小的，具有從其他成分中分離的傾向。若凝膠材料和集料對(duì)水的包裹、吸附能力較強(qiáng)，則水分就不易(b y)分離，或稱拌合物的保水能力較強(qiáng)、 要減少泌水傾向，可以加入礦物摻合料、引氣劑、減水劑等拌合物的泌水特性可用泌水速度和總泌水率評(píng)價(jià)。共六十四頁(yè)3.含氣量拌合物存在的氣相有：一是引氣劑引入的均勻、穩(wěn)定、封閉的，二是澆注、振搗過(guò)程中混入(hn

20、r)的，并被封閉在拌合物中的空氣。含氣量的測(cè)定可采用質(zhì)量法、體積法、壓力法等。共六十四頁(yè)4.密度(md)（容積密度(md)）5.凝結(jié)時(shí)間共六十四頁(yè)（二） 混凝土在硬化過(guò)程(guchng)中的性能 混凝土的凝結(jié)硬化，要經(jīng)歷初凝、終凝到產(chǎn)生初期強(qiáng)度等三個(gè)過(guò)程，這主要是靠水泥的水化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。水泥的水化反應(yīng)放出熱量，使混凝土升溫，將會(huì)出現(xiàn)初期體積變化和可能出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。了解混凝土在這一階段(jidun)的性質(zhì)，對(duì)于控制混凝土的施工質(zhì)量大有益處。共六十四頁(yè)混凝土這種干縮、濕漲變形現(xiàn)象(xinxing)部是混凝土中所含水分的變化而引起的。其濕漲值很小，不會(huì)引起混凝土的破壞?；炷粮煽s變形對(duì)構(gòu)筑物的危害較

21、大，它可能使混凝土表面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而引起表面開(kāi)裂，影響混凝土的耐久性。（二）混凝土初期(chq)的體積變化混凝土的干縮 當(dāng)混凝土在干燥空氣中硬化時(shí)，混凝土中的水分會(huì)逐漸蒸發(fā)散失，使水泥石中的凝結(jié)膠體逐漸干燥而收縮?；炷恋臐駶q 當(dāng)混凝土長(zhǎng)期在水中硬化時(shí)，由于水泥水化充分，內(nèi)部游離水充滿混凝土顆粒之間的空隙和毛細(xì)孔道，混凝土?xí)l(fā)生微量的膨脹。共六十四頁(yè)（三）混凝土硬化(ynghu)后的性能 強(qiáng)度是混凝土的最主要的技術(shù)(jsh)特性，也是施工過(guò)程中必須達(dá) 到的首要指標(biāo)。混凝土強(qiáng)度主要有立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗 壓強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度、彎曲抗壓強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗剪強(qiáng) 度、握裹強(qiáng)度等。 在混凝土的各種強(qiáng)度中，以抗壓強(qiáng)度